ES2868189T3 - Solid oxide fuel cell with metal support - Google Patents

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Mike Lankin
Robin Pierce
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Abstract

Un proceso para formar una celda de combustible de óxido sólido con soporte metálico, comprendiendo el proceso los pasos de: a) aplicar una capa anódica en verde que incluye óxido de níquel, óxido de cobre y una ceria dopada con tierras raras a un sustrato metálico de acero inoxidable, en donde el óxido de níquel, el óxido de cobre y la ceria dopada con tierras raras están pulverizados, teniendo los polvos una distribución de tamaño de partícula d90 en el intervalo de 0,1 mm a 4mm y en donde una proporción en peso de óxido de níquel a óxido de cobre está en el intervalo de 20:1 a 4:1; b) comprimir la capa de ánodo en verde; c) sinterizar la capa anódica verde para formar un compuesto que incluya óxidos de níquel, cobre y una ceria dopada con tierras raras; d) proporcionar un electrolito; y e) proporcionar un cátodo.A process for forming a metal-supported solid oxide fuel cell, the process comprising the steps of: a) applying a green anodic layer including nickel oxide, copper oxide and a rare earth doped ceria to a metal substrate stainless steel, where nickel oxide, copper oxide and rare earth doped ceria are powdered, the powders having a d90 particle size distribution in the range 0.1 mm to 4 mm and where a proportion by weight of nickel oxide to copper oxide is in the range of 20: 1 to 4: 1; b) compressing the anode layer in green; c) sintering the green anodic layer to form a compound that includes oxides of nickel, copper and a rare earth doped ceria; d) providing an electrolyte; and e) providing a cathode.

Description

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

Celda de combustible de óxido sólido con soporte metálicoSolid oxide fuel cell with metal support

CampoCountryside

La invención se refiere a una celda de combustible de óxido sólido con soporte metálico (SOFC), a procesos para formar la celda de combustible y a usos de la misma. La invención se refiere, en particular, a las celdas de combustible de óxido sólido con soporte metálico en las que el ánodo contiene níquel y cobre.The invention relates to a metal-supported solid oxide fuel cell (SOFC), processes for forming the fuel cell, and uses thereof. The invention relates in particular to metal supported solid oxide fuel cells in which the anode contains nickel and copper.

AntecedentesBackground

Una SOFC es un dispositivo electroquímico para la generación de energía eléctrica a través de la oxidación electroquímica de un gas combustible (normalmente a base de hidrógeno). El dispositivo está generalmente basado en la cerámica, utilizando una cerámica conductora de iones de oxígeno derivada de óxido metálico como su electrolito. Dado que la mayoría de los conductores cerámicos de iones de oxígeno (por ejemplo, el óxido de circonio dopado o el óxido de cerio dopado) solamente demuestran conductividades iónicas tecnológicamente relevantes a temperaturas superiores a 500 °C (para los electrolitos basados en el óxido de cerio) o a 600 °C (para las cerámicas basadas en el óxido de circonio), las SOFC funcionan a temperaturas elevadas.A SOFC is an electrochemical device for the generation of electrical energy through the electrochemical oxidation of a combustible gas (usually hydrogen-based). The device is generally ceramic-based, using an oxygen-ion conductive ceramic derived from metal oxide as its electrolyte. Since most oxygen ion ceramic conductors (for example, doped zirconium oxide or doped cerium oxide) only demonstrate technologically relevant ionic conductivities at temperatures above 500 ° C (for electrolytes based on oxide cerium) or at 600 ° C (for zirconium oxide-based ceramics), SOFCs operate at elevated temperatures.

Al igual que otras celdas de combustible, las SOFC incluyen un ánodo donde se oxida el combustible y un cátodo donde se reduce el oxígeno. Estos electrodos deben ser capaces de catalizar las reacciones electroquímicas, ser estables en sus respectivas atmósferas a la temperatura de funcionamiento (reduciendo en el lado del ánodo, oxidando en el lado del cátodo), y ser capaces de conducir electrones para que la corriente eléctrica generada por las reacciones electroquímicas pueda alejarse de la interfaz electrodo-electrolito.Like other fuel cells, SOFCs include an anode where fuel is oxidized and a cathode where oxygen is reduced. These electrodes must be able to catalyze electrochemical reactions, be stable in their respective atmospheres at operating temperature (reducing on the anode side, oxidizing on the cathode side), and be able to conduct electrons so that the electrical current generated by electrochemical reactions it can move away from the electrode-electrolyte interface.

Encontrar materiales con la combinación pertinente de propiedades para el ánodo ha resultado difícil, a pesar de las numerosas investigaciones realizadas. Durante muchos años, el estado de la técnica del ánodo de la SOFC ha consistido en una estructura compuesta de cerámica-metal porosa (cermet), con níquel como fase metálica y un material electrolítico (normalmente circonia estabilizada con óxido de itrio o de escandio) como fase cerámica, aunque también se han utilizado con menos frecuencia materiales electrolíticos basados en ceria dopada, tales como la gadolinia o la ceria dopada con samaria. En esta estructura, el níquel desempeña el papel de catalizador, y la fracción de volumen de níquel es lo suficientemente significativa como para que se forme una red metálica contigua, proporcionando así la conductividad electrónica necesaria. El material del electrolito forma una espina dorsal cerámica contigua al ánodo, proporcionando una estructura mecánica, mejorando la unión entre el ánodo y el electrolito y también ampliando la región interfacial ánodo-electrolito a cierta distancia del ánodo.Finding materials with the appropriate combination of properties for the anode has proven difficult, despite numerous investigations. For many years, the state of the art of the SOFC anode has consisted of a structure composed of porous metal-ceramic (cermet), with nickel as the metallic phase and an electrolytic material (usually zirconia stabilized with yttrium or scandium oxide). as the ceramic phase, although electrolytic materials based on doped ceria, such as gadolinia or ceria doped with samaria, have also been used less frequently. In this structure, nickel plays the role of catalyst, and the nickel volume fraction is significant enough that a contiguous metallic lattice is formed, thus providing the necessary electronic conductivity. The electrolyte material forms a ceramic backbone contiguous to the anode, providing a mechanical structure, improving the bond between the anode and the electrolyte, and also expanding the anode-electrolyte interfacial region at some distance from the anode.

Una limitación bien conocida de estos ánodos de cermet es que, a la temperatura de funcionamiento de la celda, el níquel metálico del ánodo solamente es estable en una atmósfera reductora. Esta atmósfera la proporcionan normalmente los gases combustibles, por lo que en condiciones normales de funcionamiento el ánodo es estable. Sin embargo, si se interrumpe el suministro de gas combustible con la SOFC a temperatura de funcionamiento, la atmósfera dentro del ánodo se volverá oxidante. En estas condiciones, el níquel metálico se oxidará hasta convertirse en óxido de níquel. Esta oxidación está asociada a un aumento de volumen superior al 40 % aproximadamente, ya que el níquel metálico que se ha formado por la reducción del óxido de níquel sinterizado no se oxida de nuevo a la misma morfología que el óxido de níquel original del que se formó. En cambio, genera mesoporosidad, ocupando un volumen mayor que el óxido de níquel original. Este cambio de volumen en la reoxidación puede generar grandes tensiones en la estructura del ánodo, lo que a su vez puede provocar el agrietamiento del mismo y la posible destrucción de la celda SOFC.A well known limitation of these cermet anodes is that, at cell operating temperature, the metallic nickel in the anode is only stable in a reducing atmosphere. This atmosphere is normally provided by combustible gases, so under normal operating conditions the anode is stable. However, if the fuel gas supply is interrupted with the SOFC at operating temperature, the atmosphere within the anode will become oxidizing. Under these conditions, the metallic nickel will oxidize to nickel oxide. This oxidation is associated with an increase in volume greater than approximately 40%, since the metallic nickel that has been formed by the reduction of the sintered nickel oxide does not oxidize again to the same morphology as the original nickel oxide from which it is derived. formed. Instead, it generates mesoporosity, occupying a larger volume than the original nickel oxide. This volume change in reoxidation can generate high stresses in the anode structure, which in turn can cause the anode to crack and the possible destruction of the SOFC cell.

La incapacidad de muchas celdas SOFC para someterse a múltiples ciclos de reducción-oxidación (REDOX) sin sufrir daños de este tipo ha sido un factor importante que ha inhibido la adopción comercial generalizada de la tecnología SOFC para la generación de energía, ya que los sistemas SOFC generalmente requieren la presencia de complejos y costosos sistemas de gas de purga para mantener una atmósfera reductora sobre los ánodos en caso de una interrupción inesperada del combustible, por ejemplo debido a un fallo en otra parte del sistema que requiera una parada de emergencia del sistema por razones de seguridad.The inability of many SOFC cells to undergo multiple reduction-oxidation (REDOX) cycles without suffering such damage has been a major factor inhibiting the widespread commercial adoption of SOFC technology for power generation, as the systems SOFCs generally require the presence of complex and expensive purge gas systems to maintain a reducing atmosphere over the anodes in the event of an unexpected fuel outage, for example due to a failure in another part of the system requiring an emergency shutdown of the system. for security reasons.

El problema de la inadecuada estabilidad de la REDOX es particularmente grave en las celdas de combustible con soporte anódico, que es actualmente la forma más común de las celdas SOFC. El soporte anódico es beneficioso ya que permite utilizar una capa muy fina (<20 mm) de electrolito (tal como la zirconia estabilizada), ya que el electrolito no es estructural. Esto, a su vez, permite el funcionamiento a un intervalo de temperatura más bajo que el de las celdas con soporte de electrolito (de 650°C a 800 °C en lugar de 850 °C a 1.000 °C). Dado que la resistencia del electrolito al transporte de iones de oxígeno es inversamente proporcional al grosor del electrolito, en las celdas de combustible con soporte electrolítico, la resistencia causada por el grosor de la capa de electrolito se supera aumentando las temperaturas de funcionamiento, aprovechando la caída exponencial de la resistencia con la temperatura. Al poder utilizar capas más finas en las celdas soportadas por ánodos, se pueden reducir las temperaturas de funcionamiento, lo cual es generalmente deseable, ya que facilita el uso de materiales de menor coste en el sistema de celdas de combustible SOFC, y reduce la tasa de diversos mecanismos de degradación de los materiales, tales como la oxidación de los componentes metálicos. The problem of inadequate REDOX stability is particularly acute in anode-supported fuel cells, which is currently the most common form of SOFC cells. Anodic support is beneficial as it allows a very thin layer (<20mm) of electrolyte (such as stabilized zirconia) to be used, as the electrolyte is not structural. This, in turn, allows operation at a lower temperature range than electrolyte-supported cells (650 ° C to 800 ° C instead of 850 ° C to 1,000 ° C). Since the resistance of the electrolyte to the transport of oxygen ions is inversely proportional to the thickness of the electrolyte, in electrolytically supported fuel cells, the resistance caused by the thickness of the electrolyte layer is overcome by increasing the operating temperatures, taking advantage of the exponential drop in resistance with temperature. By being able to use thinner layers in anode-supported cells, operating temperatures can be lowered, which is generally desirable as it facilitates the use of lower cost materials in the SOFC fuel cell system, and reduces the rate. of diverse mechanisms of degradation of the materials, such as the oxidation of the metallic components.

A pesar de estas ventajas, como el ánodo es el soporte estructural de la celda SOFC en una celda con soporte anódico, las celdas son muy propensas a fallos catastróficos en ciclos REDOX repetidos, ya que el agrietamiento inducido por la tensión puede resultar en la ruptura completa de la celda.Despite these advantages, as the anode is the structural support of the SOFC cell in an anode-supported cell, the cells are very prone to catastrophic failure on repeated REDOX cycles, as stress-induced cracking can result in rupture. complete cell.

A pesar de los considerables esfuerzos realizados por los desarrolladores, ninguna alternativa al níquel ha logrado una adopción generalizada, ya que todavía no se ha desarrollado ningún material adecuado que combine el coste relativamente bajo del níquel, la alta actividad catalítica tanto para la oxidación electroquímica del hidrógeno como para el reformado al vapor de los combustibles de hidrocarburos, y la alta conductividad electrónica.Despite considerable efforts by developers, no nickel alternative has achieved widespread adoption, as no suitable material has yet been developed that combines the relatively low cost of nickel, high catalytic activity for both the electrochemical oxidation of nickel. hydrogen as for steam reforming of hydrocarbon fuels, and high electronic conductivity.

Gorte et al. (US 2005/227133 A1, US 7.014.942 B2) han informado del uso de cobre en un ánodo de SOFC sustituyendo parcial o totalmente al níquel. El cobre tiene ventajas como fase conductora electrónica en el ánodo, en particular que no cataliza la formación de carbono a partir de los hidrocarburos. Sin embargo, es un mal catalizador para la oxidación electroquímica del hidrógeno y el reformado al vapor de los combustibles de hidrocarburos, por lo que en los ánodos de cobre ensayados por Gorte et al. fue necesario un catalizador adicional, tal como la ceria, para lograr un rendimiento adecuado del electrodo. El otro problema que plantea el uso del cobre en las aplicaciones convencionales de las SOFC es que tanto el cobre metálico como el óxido de cobre tienen puntos de fusión bajos (1.084 °C y 1.326 °C respectivamente). Los ánodos de cermet suelen formarse sinterizando una mezcla de polvo de óxido metálico y polvo de electrolito a 1.200 °C - 1.500 °C en aire, seguida de la reducción del óxido metálico al metal utilizando hidrógeno en la primera operación de la SOFC. Este intervalo de temperaturas de sinterización está cerca o por encima del punto de fusión del óxido de cobre (el óxido de níquel, por el contrario, se funde a 1.955 °C), lo que provoca una sinterización excesiva de la fase de óxido de cobre. Además, las temperaturas de funcionamiento convencionales de las SOFC se sitúan en el intervalo de 700 °C - 900 °C, cerca del punto de fusión del cobre metálico, lo que tiende a provocar la sinterización de la fase de cobre durante el funcionamiento de la SOFC, lo que puede causar una degradación del rendimiento. Para resolver este problema, Gorte et al. desarrollaron un método para añadir el cobre al ánodo en una etapa de infiltración posterior al sinterizado, utilizando soluciones de sales de cobre que se secaban y luego se calcinaban para descomponer la sal en óxido de cobre, evitando así la necesidad de sinterizar el óxido de cobre a altas temperaturas. Sin embargo, la etapa de infiltración, aunque permite el uso de cermets de cobre, puede ser difícil de escalar a la producción industrial. Otro problema del cobre es que, aunque es menos reactivo que el níquel, sigue oxidándose si se expone a una atmósfera oxidante a temperatura, por lo que un ánodo basado en el cobre también carece de estabilidad REDOX.Gorte et al. (US 2005/227133 A1, US 7,014,942 B2) have reported the use of copper in a SOFC anode partially or totally replacing nickel. Copper has advantages as an electronic conductive phase at the anode, in particular that it does not catalyze the formation of carbon from hydrocarbons. However, it is a poor catalyst for the electrochemical oxidation of hydrogen and the steam reforming of hydrocarbon fuels, which is why in the copper anodes tested by Gorte et al. An additional catalyst, such as ceria, was necessary to achieve adequate electrode performance. The other problem with the use of copper in conventional SOFC applications is that both metallic copper and copper oxide have low melting points (1,084 ° C and 1,326 ° C respectively). Cermet anodes are typically formed by sintering a mixture of metal oxide powder and electrolyte powder at 1,200 ° C - 1,500 ° C in air, followed by reduction of metal oxide to metal using hydrogen in the first SOFC run. This sintering temperature range is close to or above the melting point of copper oxide (nickel oxide, on the other hand, melts at 1,955 ° C), causing excessive sintering of the copper oxide phase . In addition, conventional operating temperatures for SOFCs are in the 700 ° C - 900 ° C range, close to the melting point of metallic copper, which tends to cause sintering of the copper phase during operation of the copper. SOFC, which can cause performance degradation. To solve this problem, Gorte et al. developed a method to add copper to the anode in a post-sintering infiltration stage, using solutions of copper salts that were dried and then calcined to break down the salt into copper oxide, thus avoiding the need to sinter the copper oxide at high temperatures. However, the infiltration stage, while allowing the use of copper cermets, can be difficult to scale to industrial production. Another problem with copper is that, although it is less reactive than nickel, it continues to oxidize if exposed to an oxidizing atmosphere at temperature, so a copper-based anode also lacks REDOX stability.

Hay factores relacionados con el diseño de la SOFC que pueden ayudar a mitigar los efectos perjudiciales de los ciclos REDOX; estos incluyen:There are factors related to the design of the SOFC that can help mitigate the detrimental effects of REDOX cycles; These include:

• No utilizar una celda con soporte anódico - el ánodo puede ser, por tanto, más delgado, lo que reduce el cambio de volumen total a través de los ciclos REDOX y el peligro de agrietamiento catastrófico.• Do not use a cell with anodic support - the anode may therefore be thinner, reducing the total volume change through REDOX cycles and the danger of catastrophic cracking.

• Operar a una temperatura más baja - la tasa de oxidación del níquel aumenta exponencialmente con el aumento de la temperatura, a partir de >300 °C. Cuanto menor sea la temperatura de funcionamiento, menor será el riesgo de oxidación del níquel y de expansión del volumen. Además, las partículas de níquel tienden a oxidarse a través de un mecanismo de núcleo y cáscara, en el que la superficie exterior se oxida rápidamente, pero el núcleo de la partícula se oxida más lentamente, ya que está limitado por la difusión. Por lo tanto, a temperaturas más bajas, es probable que solamente se reoxide la superficie exterior de las partículas de níquel en el ánodo, no toda la partícula, y cualquier cambio de volumen será reducido.• Operate at a lower temperature - the oxidation rate of nickel increases exponentially with increasing temperature, starting at> 300 ° C. The lower the operating temperature, the lower the risk of nickel oxidation and volume expansion. Furthermore, nickel particles tend to oxidize through a core and shell mechanism, in which the outer surface oxidizes rapidly, but the core of the particle oxidizes more slowly as it is limited by diffusion. Therefore, at lower temperatures, it is likely that only the outer surface of the nickel particles will be reoxide at the anode, not the entire particle, and any change in volume will be small.

• Dotar al ánodo de una "espina dorsal" cerámica contigua - Como la fase cerámica basada en el electrolito que se utiliza en los ánodos de las celdas SOFC no se ve afectada en gran medida por los cambios en la presión parcial de oxígeno, esta parte del ánodo no cambiará de volumen durante los ciclos REDOX que afectan a la fase de níquel. Por lo tanto, la integridad estructural del ánodo y su unión al electrolito se verán reforzadas si existe una red cerámica porosa sinterizada dentro del ánodo.• Provide the anode with a contiguous ceramic "backbone" - Since the electrolyte-based ceramic phase used in SOFC cell anodes is largely unaffected by changes in oxygen partial pressure, this part The anode will not change in volume during REDOX cycles that affect the nickel phase. Therefore, the structural integrity of the anode and its bond to the electrolyte will be enhanced if there is a sintered porous ceramic network within the anode.

Un diseño de celda SOFC que tiene el potencial de cumplir estos criterios es el diseño de SOFC con soporte metálico descrito por el solicitante en el documento GB 2 368 450. Esta celda SOFC utiliza una lámina de acero inoxidable ferrítico como soporte estructural. La lámina se hace porosa en su región central para permitir el acceso del combustible al ánodo. Las capas activas de la celda (ánodo, electrolito y cátodo) se depositan sobre la lámina del sustrato como películas. Esto significa que el ánodo solamente necesita tener aproximadamente 15 mm de grosor, ya que no es el soporte estructural de la celda. Esta celda también permite funcionar a temperaturas en el intervalo de 450 °C a 650 °C, mucho más bajas que las temperaturas de funcionamiento estándar. Esto se consigue mediante el uso de materiales cerámicos basados predominantemente en óxido de cerio (ceria) tales como el CGO10 (óxido de cerio dopado con gadolinio, con CGO 10 - Ce0,9Gd0,1O1,95) como electrolito conductor de iones de oxígeno, que tienen una conductividad de iones de oxígeno intrínsecamente mayor que los materiales basados en circonia. Para evitar el cortocircuito interno de la celda debido a la conductividad iónica-electrónica mixta de los electrolitos basados en la ceria se deposita una fina película de circonio estabilizado en el electrolito, como se describe en el documento GB 2 456 445, pero como la capa de circonia es tan fina, su resistencia al transporte de iones de oxígeno es lo suficientemente baja como para no impedir el funcionamiento a baja temperatura. La celda SOFC del documento GB 2 368450 utiliza un ánodo de cermet compuesto de metal poroso y CGO10 fabricado como una película gruesa con un espesor de entre 5 mm y 30 mm. El ánodo se deposita generalmente mediante serigrafía de una tinta que contiene óxido metálico y polvos de CGO10 y se forma una capa cerámica porosa mediante un proceso térmico para sinterizar los polvos depositados y formar una estructura contigua unida al sustrato de acero.One SOFC cell design that has the potential to meet these criteria is the metal supported SOFC design described by the Applicant in GB 2 368 450. This SOFC cell uses a ferritic stainless steel sheet as a structural support. The foil is made porous in its central region to allow fuel access to the anode. The active layers of the cell (anode, electrolyte and cathode) are deposited on the substrate sheet as films. This means that the anode only needs to be approximately 15mm thick, as it is not the structural support of the cell. This cell is also capable of operating at temperatures in the range of 450 ° C to 650 ° C, much lower than standard operating temperatures. This is achieved through the use of ceramic materials based predominantly on cerium oxide (ceria) such as CGO10 (cerium oxide doped with gadolinium, with CGO 10 - Ce0.9Gd0.1O1.95) as an oxygen ion conducting electrolyte, which have an inherently higher oxygen ion conductivity than zirconia-based materials. To avoid internal short-circuit of the cell due to the mixed ionic-electronic conductivity of the ceria-based electrolytes, a thin film of stabilized zirconia is deposited on the electrolyte, as described in GB 2 456 445, but as the layer Zirconia is so fine, its resistance to oxygen ion transport is low enough not to impede low temperature operation. The SOFC cell of GB 2 368450 uses a cermet anode composed of porous metal and CGO10 manufactured as a thick film with a thickness of between 5 mm and 30 mm. The anode is generally deposited by screen printing an ink containing metal oxide and CGO10 powders and a porous ceramic layer is formed by a thermal process to sinter the deposited powders and form a contiguous structure bonded to the steel substrate.

Una limitación impuesta por la deposición de las capas cerámicas sobre un soporte de acero inoxidable ferrítico mediante los métodos convencionales de procesamiento de la cerámica es la temperatura máxima a la que puede exponerse el acero en una atmósfera oxidante debido a la formación de una cascarilla de óxido de cromo a altas temperaturas en una atmósfera oxidante. Este límite superior está sustancialmente por debajo de los 1.200 °C - 1.500 °C que se suelen utilizar cuando se sinterizan cerámicas, por lo que se han desarrollado métodos para sinterizar electrolitos de ceria dopados con tierras raras hasta >96 % de la densidad teórica a <1.100 °C, facilitando la formación de la capa estanca al gas deseada (GB 2368450, GB 2386 126 y GB 2400486).A limitation imposed by the deposition of ceramic layers on a ferritic stainless steel support by conventional ceramic processing methods is the maximum temperature to which the steel can be exposed in an oxidizing atmosphere due to the formation of an oxide scale. chromium at high temperatures in an oxidizing atmosphere. This upper limit is substantially below the 1,200 ° C - 1,500 ° C typically used when sintering ceramics, so methods have been developed to sinter rare earth doped ceria electrolytes to> 96% of the theoretical density at <1,100 ° C, facilitating the formation of the desired gas tight layer (GB 2368450, GB 2386 126 and GB 2400486).

Sorprendentemente, la sinterización de un ánodo compuesto de óxido de níquel y ceria dopada con tierras raras a estas temperaturas ha resultado más difícil que la sinterización del electrolito. Esto se debe a que se ha comprobado que los compuestos de dos materiales de óxido diferentes se sinterizan peor que un material de una sola fase. Así, el óxido de níquel o la cerámica por sí solos se sinterizarán adecuadamente a estas temperaturas, pero la sinterización de un compuesto en el aire puede ser deficiente, lo que da lugar a conexiones débiles entre las partículas y a una estructura cerámica débil. Esto puede dar lugar a un fallo de la celda como resultado del ciclo REDOX, ya que los débiles enlaces entre las partículas de níquel se rompen como resultado de los cambios de volumen durante el ciclo REDOX. En última instancia, esto puede dar lugar a un fallo catastrófico de la celda por desprendimiento del electrolito del ánodo.Surprisingly, sintering an anode made of nickel oxide and rare earth doped ceria at these temperatures has proven more difficult than sintering the electrolyte. This is because composites of two different oxide materials have been found to sinter worse than a single phase material. Thus, nickel oxide or ceramic alone will sinter adequately at these temperatures, but sintering of a compound in air can be poor, resulting in weak connections between the particles and a weak ceramic structure. This can lead to cell failure as a result of the REDOX cycle, as the weak bonds between the nickel particles are broken as a result of volume changes during the REDOX cycle. Ultimately, this can lead to catastrophic cell failure due to detachment of the electrolyte from the anode.

Para mejorar la estabilidad REDOX de la celda, es deseable encontrar un medio que permita una sinterización suficiente de la estructura de cermet en el intervalo de temperatura en el que es posible cocer las capas cerámicas sobre un sustrato de acero. Por lo tanto, sería ventajoso proporcionar un método de preparación de una SOFC con soporte metálico en la que el ánodo sea estable con los ciclos redox, robusto frente a la pérdida de atmósfera reductora a la temperatura de funcionamiento, y que, sin embargo, pueda fabricarse utilizando métodos de producción comercialmente viables. La invención pretende superar o mejorar al menos algunos aspectos de este problema y los descritos anteriormente.To improve the REDOX stability of the cell, it is desirable to find a means that allows sufficient sintering of the cermet structure in the temperature range in which it is possible to fire the ceramic layers on a steel substrate. Therefore, it would be advantageous to provide a method of preparing a metal-supported SOFC in which the anode is stable with redox cycles, robust to loss of reducing atmosphere at operating temperature, and yet capable of manufactured using commercially viable production methods. The invention aims to overcome or improve at least some aspects of this problem and those described above.

ResumenSummary

En consecuencia, en un primer aspecto de la invención se proporciona un proceso para formar una SOFC con soporte metálico, comprendiendo el proceso las etapas de:Consequently, in a first aspect of the invention a process for forming a metal-supported SOFC is provided, the process comprising the steps of:

a) aplicar una capa anódica en verde que incluye óxido de níquel, óxido de cobre y una ceria dopada con tierras raras a un sustrato metálico de acero inoxidable en donde el óxido de níquel, el óxido de cobre y la ceria dopada con tierras raras están pulverizados, estando los polvos de una distribución de tamaño de partícula d90 en el intervalo de 0,1 mm a 4 mm y en donde una proporción en peso de óxido de níquel a óxido de cobre está en el intervalo de 20:1 a 4:1; a) apply a green anodic layer that includes nickel oxide, copper oxide and a rare earth doped ceria to a stainless steel metal substrate where nickel oxide, copper oxide and rare earth doped ceria are pulverized, the powders having a d90 particle size distribution in the range of 0.1 mm to 4 mm and wherein a weight ratio of nickel oxide to copper oxide is in the range of 20: 1 to 4: 1;

b) comprimir la capa de ánodo en verde;b) compressing the anode layer in green;

c) sinterizar de la capa anódica en verde para formar un compuesto que incluye óxidos de níquel, de cobre y una ceria dopada con tierras raras;c) sintering of the green anodic layer to form a compound that includes nickel oxides, copper oxides and a rare earth doped ceria;

d) proporcionar un electrolito; yd) providing an electrolyte; and

e) proporcionar un cátodo.e) providing a cathode.

La presencia del cobre en la capa del ánodo, generalmente como óxido de cobre, proporciona un ánodo con una mejor sinterización entre el óxido de níquel y la ceria dopada con tierras raras. Esto, a su vez, mejora la formación de la espina dorsal cerámica en el ánodo y aumenta la estabilidad del ánodo (y de la celda de combustible en su conjunto) frente a los ciclos REDOX, ya que la microestructura del ánodo es más robusta que si el cobre estuviera ausente y menos propensa a cambiar de volumen durante la reducción del óxido de níquel y de cobre a níquel y cobre en el primer uso de la celda de combustible, o durante cualquier cambio en la reoxidación si la atmósfera reductora se pierde a temperaturas de funcionamiento, por ejemplo, en caso de fallo imprevisto del sistema y pérdida de suministro de combustible.The presence of copper in the anode layer, usually as copper oxide, provides an anode with better sintering between nickel oxide and rare earth doped ceria. This, in turn, improves the formation of the ceramic backbone at the anode and increases the stability of the anode (and the fuel cell as a whole) against REDOX cycles, since the microstructure of the anode is more robust than if copper were absent and less likely to change in volume during the reduction of nickel and copper oxide to nickel and copper on the first use of the fuel cell, or during any change in reoxidation if the reducing atmosphere is lost to operating temperatures, for example in the event of unforeseen system failure and loss of fuel supply.

El proceso de la invención comprenderá además el paso de comprimir la capa de ánodo en verde, a menudo a presiones en el intervalo de 100 a 300 MPa. Esta etapa de compresión aumenta la densidad de la capa de ánodo en verde sin sinterizar, asegurando que las partículas de óxido de níquel, de óxido de cobre y de ceria dopada con tierras raras estén en contacto suficientemente estrecho para sinterizar eficazmente a las temperaturas empleadas en el proceso de la invención. A menudo, la etapa de compresión se utiliza en combinación con una etapa de calentamiento de la capa impresa para eliminar los materiales orgánicos residuales de la base de tinta antes de la compresión, para dejar una capa anódica en verde que contiene óxido de níquel, óxido de cobre y una ceria dopada con tierras raras que puede comprimirse.The process of the invention will further comprise the step of compressing the anode layer in green, often at pressures in the range of 100 to 300 MPa. This compression step increases the density of the unsintered green anode layer, ensuring that the rare earth doped nickel oxide, copper oxide and ceria particles are in close enough contact to effectively sinter at the temperatures employed in the process of the invention. Often the compression stage is used in combination with a printed layer heating stage to remove residual organic materials from the ink base prior to compression, to leave a green anodic layer containing nickel oxide, oxide copper and a rare earth doped ceria that can be compressed.

El primer paso del proceso descrito es la aplicación de una capa de ánodo en verde al sustrato metálico; el sustrato metálico será un sustrato de acero inoxidable, en particular un sustrato de acero inoxidable ferrítico, ya que el acero inoxidable ferrítico forma una capa de pasivación superficial de óxido de cromo cuando se calienta. Esta capa de pasivación protege el metal grueso del soporte y proporciona una barrera de difusión entre el ánodo y el metal grueso del soporte. Tal y como se utilizan en el presente documento, los términos "soporte" y "sustrato" para referirse al soporte/substrato metálico se utilizan indistintamente. La formación de una capa de pasivación de óxido de cromo, a diferencia del óxido de aluminio o los óxidos de silicio que suelen formarse con otros aceros resistentes al calor, tiene la ventaja de que el óxido de cromo es un semiconductor electrónico a altas temperaturas, en lugar de ser aislante, lo que hace que el acero inoxidable ferrítico sea adecuado para su uso en aplicaciones de celdas de combustible. El acero inoxidable ferrítico puede ser un acero inoxidable ferrítico sin aluminio, tal como un acero inoxidable ferrítico que contiene titanio y/o niobio como estabilizadores. A menudo, el acero inoxidable ferrítico comprenderá entre aproximadamente un 17,5 y un 23 % en peso de Cr. En particular, el acero inoxidable ferrítico puede seleccionarse a partir de la designación europea 1.4509 (17,5 a 18,5 % en peso de Cr) y/o de la designación europea 1.4760 (22 a 23 % en peso de Cr), aunque también pueden utilizarse designaciones similares de acero inoxidable ferrítico, como comprenderá el experto en la técnica.The first step of the described process is the application of a layer of anode in green to the metallic substrate; the metal substrate will be a stainless steel substrate, in particular a ferritic stainless steel substrate, since the steel Ferritic stainless forms a surface passivation layer of chromium oxide when heated. This passivation layer protects the thick metal of the support and provides a diffusion barrier between the anode and the thick metal of the support. As used herein, the terms "support" and "substrate" to refer to the metallic support / substrate are used interchangeably. The formation of a passivation layer of chromium oxide, unlike aluminum oxide or silicon oxides that are usually formed with other heat-resistant steels, has the advantage that chromium oxide is an electronic semiconductor at high temperatures, rather than being insulating, making ferritic stainless steel suitable for use in fuel cell applications. The ferritic stainless steel can be a ferritic stainless steel without aluminum, such as a ferritic stainless steel containing titanium and / or niobium as stabilizers. Often times, ferritic stainless steel will comprise between about 17.5 and 23% by weight of Cr. In particular, ferritic stainless steel can be selected from the European designation 1.4509 (17.5 to 18.5% by weight Cr) and / or the European designation 1.4760 (22 to 23% by weight Cr), although similar ferritic stainless steel designations may also be used, as will be understood by one of ordinary skill in the art.

El sustrato puede tener un grosor en el intervalo de aproximadamente 50 mm a 500 mm, a menudo de aproximadamente 100 mm a 400 mm, en algunos casos de aproximadamente 200 mm a 350 mm. El grosor del sustrato viene determinado por la necesidad de proporcionar un sustrato estable, que no se deforme durante la formación de la celda o en uso, pero que sea lo más fino posible para permitir un contacto eficiente entre el combustible y el ánodo. Como se describe en el documento GB 2368450, este contacto puede lograrse con excelentes resultados mediante la provisión de una región porosa delimitada por una región no porosa del sustrato, sobre la que se forma el ánodo. A menudo se dará el caso de que la región porosa del sustrato incluye una pluralidad de aberturas de paso que interconectan de forma fluida una y otra superficies del sustrato, y a menudo éstas estarán uniformemente espaciadas, teniendo además o alternativamente una dimensión lateral de aproximadamente 5 mm a 500 mm, o de aproximadamente 100 mm a 300 mm. Además, las aberturas pueden comprender desde aproximadamente 0,1 a 5 % del área de la región porosa del sustrato o desde aproximadamente 0,2 a 2 % del área de la región porosa del sustrato. Cada una de estas características contribuye a una transferencia eficiente del combustible a través del sustrato hacia el ánodo, permitiendo al mismo tiempo que el sustrato metálico soporte la celda de combustible, facilitando el uso de espesores dramáticamente reducidos de las capas electroquímicamente activas dentro de la celda.The substrate may have a thickness in the range of about 50mm to 500mm, often from about 100mm to 400mm, in some cases from about 200mm to 350mm. The thickness of the substrate is determined by the need to provide a stable substrate, which does not warp during cell formation or in use, but which is as thin as possible to allow efficient contact between the fuel and the anode. As described in GB 2368450, this contact can be achieved with excellent results by providing a porous region delimited by a non-porous region of the substrate, on which the anode is formed. It will often be the case that the porous region of the substrate includes a plurality of passage openings that fluidly interconnect one and the other surfaces of the substrate, and these will often be evenly spaced, additionally or alternatively having a lateral dimension of approximately 5 mm. to 500mm, or approximately 100mm to 300mm. Furthermore, the apertures may comprise from about 0.1 to 5% of the area of the porous region of the substrate or from about 0.2 to 2% of the area of the porous region of the substrate. Each of these features contributes to efficient fuel transfer through the substrate to the anode, while allowing the metal substrate to support the fuel cell, facilitating the use of dramatically reduced thicknesses of the electrochemically active layers within the cell. .

Normalmente, el sustrato será una lámina, aunque también podría utilizarse un sustrato sinterizado. La ventaja de las láminas es la facilidad de control de la estructura de la región porosa.Typically the substrate will be a sheet, although a sintered substrate could also be used. The advantage of the sheets is the ease of control of the structure of the porous region.

La capa anódica en verde se forma generalmente mediante la aplicación de una tinta que comprende el óxido de níquel, el óxido de cobre y la ceria dopada con tierras raras, aunque pueden utilizarse otros métodos. Estos tres componentes estarán generalmente suspendidos como polvos dentro de una base de tinta, conteniendo la base de tinta generalmente uno o más disolventes volátiles, uno o más aglutinantes poliméricos no volátiles disueltos, dispersantes, agentes humectantes y otros componentes comunes de la tinta. El óxido de níquel, el óxido de cobre y la ceria dopada con tierras raras tendrán una distribución de tamaño de partícula d90 en el intervalo de 0,1 mm a 4 mm, a menudo de 0,2 mm a 2 mm o de 0,7 mm a 1,2 mm. Aunque las distribuciones del tamaño de las partículas, y los propios tamaños, de cada uno de los óxidos de cobre, óxidos de níquel y ceria dopada con tierras raras pueden ser diferentes, puede ser beneficioso que sean iguales, o similares, ya que esto ayuda a facilitar una buena mezcla de los polvos y, por tanto, una robusta sinterización del ánodo. Por lo general, se seleccionan partículas de pequeño tamaño, ya que estas se suspenden más fácilmente en la tinta y ofrecen una mayor homogeneidad de los componentes dentro de la capa del ánodo, además de tener una mayor relación superficie/volumen, lo que aumenta la reactividad de las partículas y la facilidad de sinterización.The green anode layer is generally formed by applying an ink comprising nickel oxide, copper oxide, and rare earth doped ceria, although other methods can be used. These three components will generally be suspended as powders within an ink base, the ink base generally containing one or more volatile solvents, one or more dissolved non-volatile polymeric binders, dispersants, wetting agents, and other common ink components. Nickel oxide, copper oxide and rare earth doped ceria will have a d90 particle size distribution in the range of 0.1 mm to 4 mm, often 0.2 mm to 2 mm or 0, 7mm to 1.2mm. Although the particle size distributions, and the sizes themselves, of each of the copper oxides, nickel oxides, and rare earth doped ceria may be different, it may be beneficial if they are the same, or similar, as this helps. to facilitate a good mixing of the powders and, therefore, a robust sintering of the anode. In general, small size particles are selected, since these are more easily suspended in the ink and offer a greater homogeneity of the components within the anode layer, in addition to having a higher surface / volume ratio, which increases the particle reactivity and ease of sintering.

Normalmente, la tinta contendrá en el intervalo del 30 al 70 % en peso del contenido de sólidos en la tinta de óxidos metálicos mezclados (a saber, la combinación de óxido de cobre y óxido de níquel). A menudo, esta será del 35 al 45 % en peso, siendo el resto de los sólidos la ceria dopada con tierras raras. Es preciso decir que a menudo se dará el caso de que los únicos sólidos de la tinta serán los óxidos metálicos y la ceria dopada con tierras raras y, por lo tanto, a menudo el ánodo estará compuesto, o estará compuesto esencialmente, por óxido de níquel, óxido de cobre y ceria dopada con tierras raras. A menudo, el componente de óxido metálico de la tinta contendrá un intervalo del 5 al 50 % en peso del óxido metálico total de óxido de cobre, a menudo del 8 al 25 % en peso. En muchos casos, el óxido de cobre estará en torno al 10 % en peso, tal vez entre el 8 o 9 y el 11 o 12 % en peso del óxido metálico total, por lo que la relación entre el óxido de níquel y el óxido de cobre es de aproximadamente 9:1. La proporción está en el intervalo de 20:1 a 4:1, a menudo en el intervalo de 15:1 a 6:1. Se ha descubierto que al seleccionar estos niveles de dopaje de óxido de cobre, el punto de fusión relativamente bajo del óxido de cobre ofrece una sinterización mejorada dentro del material del ánodo compuesto, sin bajar el punto de fusión del óxido metálico por debajo del necesario para que se produzca la sinterización de la ceria dopada con tierras raras, y sin perjudicar el funcionamiento del ánodo, en particular cuando el combustible es hidrógeno, o cuando la celda de combustible reforme a vapor los hidrocarburos. Typically, the ink will contain in the range of 30 to 70% by weight of the solids content in the ink of mixed metal oxides (namely, the combination of copper oxide and nickel oxide). Often this will be 35 to 45% by weight with the remainder of the solids being the rare earth doped ceria. It must be said that it will often be the case that the only solids in the ink will be the metallic oxides and the rare earth-doped ceria, and therefore the anode will often be composed, or essentially composed, of oxide nickel, copper oxide and ceria doped with rare earths. Often times, the metal oxide component of the ink will contain a range of 5 to 50% by weight of the total metal oxide of copper oxide, often 8 to 25% by weight. In many cases, the copper oxide will be around 10% by weight, perhaps between 8 or 9 and 11 or 12% by weight of the total metal oxide, so the ratio of nickel oxide to oxide copper is approximately 9: 1. The ratio is in the range of 20: 1 to 4: 1, often in the range of 15: 1 to 6: 1. By selecting these levels of copper oxide doping, it has been found that the relatively low melting point of copper oxide offers improved sintering within the composite anode material, without lowering the melting point of the metal oxide below that necessary to that the sintering of the rare earth doped ceria occurs, and without impairing the performance of the anode, particularly when the fuel is hydrogen, or when the fuel cell vaporizes the hydrocarbons.

A menudo se dará el caso de que el óxido de cobre es óxido de cobre (II), ya que tiene un punto de fusión más alto que el óxido de cobre (I) y tiene propiedades semiconductoras. Sin embargo, también puede utilizarse el óxido de cobre (I), ya que éste puede formar óxido de cobre (II) a alta temperatura en el aire.It will often be the case that copper oxide is copper (II) oxide, as it has a higher melting point than copper (I) oxide and has semiconductor properties. However, copper (I) oxide can also be used, as this can form copper (II) oxide at high temperatures in air.

En muchos ejemplos, la ceria dopada con tierras raras tendrá la fórmula Ce1-xRExO2-x/2, donde RE es una tierra rara y 0,3>x>0,05. A menudo, la ceria dopada con tierras raras será óxido de cerio dopado con gadolinio, a menudo de fórmula Ce0,9Gd0,iOi,95 (CGO10). Estos compuestos se utilizan generalmente porque tienen una conductividad de iones de oxígeno más alta que muchos materiales de electrolito, incluidos los materiales basados en la circonia, lo que permite el funcionamiento de la celda de combustible a temperaturas más bajas que las celdas de combustible SOFC convencionales, estando la temperatura de funcionamiento de la celda de combustible de la invención normalmente en el intervalo de 450 °C a 650 °C, a menudo de 500 °C a 620 °C. El funcionamiento de la celda de combustible a temperaturas más bajas tiene una serie de ventajas, entre ellas la reducción de la tasa de oxidación del níquel en atmósferas no reductoras, lo que a su vez suele dar lugar a que solamente se oxide la cáscara exterior de la partícula, reduciendo el cambio de volumen dentro del ánodo y, por tanto, el riesgo de agrietamiento en caso de que se interrumpa la atmósfera reductora del suministro de combustible. Además, hace posible el uso de soportes metálicos, lo que permite utilizar capas más finas de material de electrodo y electrolito, ya que éstas desempeñan un papel estructural menor, si es que lo hacen. Además, estas temperaturas están muy por debajo del punto de fusión del cobre, lo que ofrece la posibilidad de utilizar cobre como componente de la celda.In many examples, the rare earth doped ceria will have the formula Ce1-xRExO2-x / 2, where RE is a rare earth and 0.3>x> 0.05. Often the rare earth doped ceria will be gadolinium doped cerium oxide, often of formula Ce0.9Gd0, iOi, 95 (CGO10). These compounds are generally used because they have higher oxygen ion conductivity than many electrolyte materials, including zirconia-based materials, allowing fuel cell operation at lower temperatures than conventional SOFC fuel cells. , the operating temperature of the fuel cell of the invention being normally in the range of 450 ° C to 650 ° C, often 500 ° C to 620 ° C. Operating the fuel cell at lower temperatures has a number of advantages, including reducing the rate of nickel oxidation in non-reducing atmospheres, which in turn often results in only the outer shell of the fuel cell being oxidized. the particle, reducing the volume change within the anode and therefore the risk of cracking in the event that the reducing atmosphere of the fuel supply is interrupted. In addition, it makes it possible to use metal supports, allowing thinner layers of electrode material and electrolyte to be used, as these play a minor, if any, structural role. Furthermore, these temperatures are well below the melting point of copper, which offers the possibility of using copper as a component of the cell.

La aplicación de la capa anódica en verde incluye generalmente una aplicación inicial de la tinta al sustrato metálico, que será normalmente por impresión, por ejemplo por serigrafía, aunque pueden utilizarse otros métodos, tales como el colado en cinta, el moldeo por colada en vacío, la deposición electroforética y el calandrado, como sabrá el experto en la técnica. Cuando existe una región porosa, la aplicación de la tinta al sustrato suele ser tal que se forma una capa sobre la región porosa, pero la región no porosa se deja sustancialmente al descubierto. Esto garantiza que el combustible no pueda eludir el ánodo, pero minimiza los costes de material y el peso al no cubrir más del sustrato de lo necesario.The application of the green anodic layer generally includes an initial application of the ink to the metallic substrate, which will normally be by printing, for example by screen printing, although other methods can be used, such as tape casting, vacuum casting. , electrophoretic deposition and calendering, as will be known to the person skilled in the art. When there is a porous region, the application of the ink to the substrate is usually such that a layer is formed over the porous region, but the non-porous region is left substantially uncovered. This ensures that the fuel cannot bypass the anode, but minimizes material costs and weight by not covering more of the substrate than necessary.

A esta aplicación inicial le seguirá opcionalmente una etapa de secado de la tinta para proporcionar una capa impresa. El secado puede ser al aire o con calor suave. El calor suave se utiliza a menudo para acelerar la formación de la capa impresa. Unas temperaturas en el intervalo de 50 °C a 150 °C serían típicas. La etapa de secado evapora los disolventes y fija los aglutinantes en cualquier formulación de tinta utilizada, solidificando la tinta y formando una capa inicial, aunque frágil, de ánodo, denominada aquí capa impresa. Esta capa tendrá generalmente un grosor en el intervalo de 5 mm a 40 mm, a menudo de 7 mm a 20 mm, y a menudo de 9 mm a 15 mm. Como las celdas de combustible de la invención no son celdas con soporte anódico, la capa anódica puede ser mucho más fina que en muchas celdas de combustible convencionales, lo que tiene la ventaja de que el cambio de volumen global durante el ciclo REDOX es menor, y por tanto el agrietamiento del ánodo a lo largo del tiempo se reduce significativamente. This initial application will optionally be followed by a step of drying the ink to provide a printed layer. Drying can be in the air or with gentle heat. Gentle heat is often used to speed up the formation of the printed layer. Temperatures in the range of 50 ° C to 150 ° C would be typical. The drying step evaporates the solvents and fixes the binders in any ink formulation used, solidifying the ink and forming an initial, albeit brittle, anode layer, here called the printed layer. This layer will generally have a thickness in the range of 5mm to 40mm, often 7mm to 20mm, and often 9mm to 15mm. As the fuel cells of the invention are not anode-supported cells, the anode layer can be much thinner than in many conventional fuel cells, which has the advantage that the overall volume change during the REDOX cycle is less, and thus the cracking of the anode over time is significantly reduced.

El óxido de níquel, el óxido de cobre y la ceria dopada con tierras raras aplicados, o la capa impresa si hay una etapa de secado, pueden calentarse a continuación para eliminar cualquier componente orgánico en una mezcla de tinta, por ejemplo, los aglutinantes poliméricos presentes normalmente en las tintas. La temperatura de este paso dependerá de los aglutinantes presentes, pero a menudo estará en el intervalo de 300 °C a 500 °C. Este paso de calentamiento puede combinarse con el paso de secado, aunque para proporcionar una capa anódica bien formada, uniforme y en verde, los disolventes se eliminan generalmente primero, y luego los componentes orgánicos de la mezcla en un paso separado.Nickel oxide, copper oxide and applied rare earth doped ceria, or the printed layer if there is a drying step, can then be heated to remove any organic components in an ink mixture, for example polymeric binders normally present in inks. The temperature of this step will depend on the binders present, but will often be in the range of 300 ° C to 500 ° C. This heating step can be combined with the drying step, although to provide a well-formed, uniform, green anodic layer, the solvents are generally removed first, and then the organic components of the mixture in a separate step.

A menudo, la etapa de compresión descrita anteriormente se aplicará después de que la tinta se haya secado y se hayan eliminado los componentes orgánicos, ya que en esta etapa la capa de ánodo en verde contiene únicamente los componentes activos (a saber, el óxido de níquel, el óxido de cobre y la ceria dopada con tierras raras). Esto permite que la etapa de compresión compacte el ánodo de la manera más eficiente y aumente la densidad de los óxidos y la ceria para mejorar la sinterización. Pueden utilizarse diversos métodos de compresión, como sabrá el experto en la técnica, aunque a menudo se utiliza el prensado isostático uniaxial o en frío.Often times, the compression step described above will be applied after the ink has dried and the organic components have been removed, since at this stage the anode layer in green contains only the active components (namely the oxide of nickel, copper oxide and rare earth doped ceria). This allows the compression stage to compact the anode in the most efficient way and increase the density of the oxides and ceria to improve sintering. Various compression methods can be used, as will be known to one of ordinary skill in the art, although uniaxial or cold isostatic pressing is often used.

La etapa de cocción (sinterización) de la capa de ánodo en verde para formar un compuesto que incluye óxidos de níquel, de cobre y una ceria dopada con tierras raras permite sinterizar la ceria dopada con tierras raras y los óxidos metálicos para formar la estructura cerámica del ánodo. Por lo tanto, la cocción de la capa del ánodo en verde se realiza generalmente en un horno a una temperatura comprendida en el intervalo de 950 °C a 1.100 °C, a menudo de 980 °C a 1.050°C o de 1.000 °C y 1. 030 °C. El límite superior de estos intervalos se selecciona en función de la estabilidad del sustrato. Por encima de aproximadamente 1.100 °C, incluso los aceros con alto contenido en cromo, conocidos por su gran resistencia a la oxidación, se oxidan en el aire con demasiada rapidez para que el sustrato sobreviva al proceso de cocción. En concreto, la capa de pasivación de óxido de cromo crece y se escama repetidamente durante la formación del cermet anódico, debilitando el sustrato metálico hasta un punto inaceptable. El uso de la ceria dopada con tierras raras facilita el uso de un sustrato metálico, junto con la formación de un cermet robusto, ya que los compuestos de ceria pueden sinterizarse a temperaturas inferiores a 1.100 °C. El límite inferior está guiado por la necesidad de una sinterización exitosa de los materiales.The step of firing (sintering) the anode layer in green to form a compound that includes oxides of nickel, copper and a rare earth doped ceria allows sintering of the rare earth doped ceria and metal oxides to form the ceramic structure anode. Therefore, the baking of the anode layer in green is generally carried out in an oven at a temperature in the range of 950 ° C to 1,100 ° C, often from 980 ° C to 1,050 ° C or 1,000 ° C. and 1,030 ° C. The upper limit of these ranges is selected based on the stability of the substrate. Above about 1,100 ° C, even high-chromium steels, known for their high resistance to oxidation, rust in air too quickly for the substrate to survive the firing process. In particular, the chromium oxide passivation layer repeatedly grows and flakes during the formation of the anode cermet, weakening the metal substrate to an unacceptable point. The use of rare earth doped ceria facilitates the use of a metallic substrate, along with the formation of a robust cermet, as ceria compounds can sinter at temperatures below 1,100 ° C. The lower limit is driven by the need for successful sintering of the materials.

La etapa de cocción se realizará normalmente en aire, aunque pueden utilizarse otras atmósferas no reductoras. Normalmente, la etapa de cocción durará entre 15 y 60 minutos. Mientras que el período de cocción debe ser suficiente para permitir la sinterización de los óxidos metálicos y la ceria dopada con tierras raras, y para permitir que el horno alcance el equilibrio térmico, un período de cocción demasiado largo puede aumentar la oxidación del soporte metálico y provocar la contaminación del ánodo, cuando se utiliza acero inoxidable ferrítico, con el cromo que se evapora del soporte. Por lo tanto, el periodo de cocción óptimo se sitúa en el intervalo de 15 a 60 minutos. Después de la sinterización, el ánodo se deja enfriar, proporcionando una estructura anódica robusta y porosa que contiene níquel, cobre y ceria dopada con tierras raras como conductor cerámico de iones de oxígeno. The cooking stage will normally be carried out in air, although other non-reducing atmospheres can be used. Typically the cooking stage will last between 15 and 60 minutes. While the firing period should be sufficient to allow sintering of the metal oxides and rare earth doped ceria, and to allow the furnace to reach thermal equilibrium, too long a firing period can increase oxidation of the metal support and cause contamination of the anode, when ferritic stainless steel is used, with chromium evaporating from the support. Therefore, the optimal cooking period is in the range of 15 to 60 minutes. After sintering, the anode is allowed to cool, providing a robust and porous anode structure containing rare earth doped nickel, copper and ceria as a ceramic conductor of oxygen ions.

Aunque, como se ha descrito anteriormente, la cocción del ánodo se produce antes de suministrar el electrolito, puede ser que el electrolito se aplique sobre la capa de ánodo en verde antes de que se produzca la cocción. Así, el proceso puede comprender la etapa de proporcionar un electrolito antes de la etapa de cocción de la capa anódica en verde, de modo que el electrolito y la capa anódica en verde se cuezan simultáneamente.Although, as described above, the anode firing occurs prior to supplying the electrolyte, it may be that the electrolyte is applied on the anode layer in green before firing occurs. Thus, the process may comprise the step of providing an electrolyte prior to the step of firing the green anode layer, so that the electrolyte and the green anode layer are fired simultaneously.

Normalmente, para su uso con las celdas de combustible de la invención el electrolito tendrá un espesor en el intervalo de 5 mm a 30 mm, a menudo en el intervalo de 10 mm a 20 mm. La provisión de una capa de electrolito tan fina permite una rápida transferencia de iones de oxígeno desde el cátodo hasta el ánodo. A menudo, el electrolito consistirá en una ceria dopada con tierras raras, siendo las cerias de tierras raras apropiadas las definidas anteriormente para el ánodo. En algunos ejemplos, el electrolito puede consistir en una ceria dopada con tierras raras combinada con un bajo contenido de óxido de cobalto y/o de óxido de cobre, como adyuvantes para la sinterización; por ejemplo, puede haber entre un 0,5 y un 5 % en peso de óxido de cobalto y/o de óxido de cobre, siendo el electrolito restante la ceria dopada con tierras raras. El uso de cerias dopadas con tierras raras tanto para el ánodo como para el electrolito ayuda a mejorar la compatibilidad entre estos componentes de la celda de combustible tanto químicamente como en términos de la expansión térmica, que está estrechamente relacionada con la reducción de la tensión mecánica entre las capas durante el ciclo REDOX, y por lo tanto también la reducción de la probabilidad de agrietamiento y fallo de la celda de combustible en uso. Además, como estas cerias tienen altas tasas de transferencia de carga, su inclusión asegura una buena tasa de transferencia de carga entre el electrolito y el ánodo.Typically for use with the fuel cells of the invention the electrolyte will have a thickness in the range of 5mm to 30mm, often in the range of 10mm to 20mm. The provision of such a thin electrolyte layer allows rapid transfer of oxygen ions from the cathode to the anode. Often times, the electrolyte will consist of a rare earth doped ceria, with appropriate rare earth ceria being those defined above for the anode. In some examples, the electrolyte may consist of a rare earth doped ceria combined with a low content of cobalt oxide and / or copper oxide, as sintering aids; for example, there may be 0.5 to 5% by weight of cobalt oxide and / or copper oxide, with the remaining electrolyte being rare earth doped ceria. The use of rare earth doped ceria for both the anode and the electrolyte helps to improve the compatibility between these fuel cell components both chemically and in terms of thermal expansion, which is closely related to the reduction of mechanical stress. between layers during the REDOX cycle, and therefore also reducing the probability of cracking and failure of the fuel cell in use. Furthermore, as these ceria have high charge transfer rates, their inclusion ensures a good charge transfer rate between the electrolyte and the anode.

El electrolito será generalmente sinterizado, ya sea simultáneamente con el ánodo como se ha descrito anteriormente, o en una etapa de cocción separada después de que el ánodo esté completamente formado.The electrolyte will generally be sintered, either simultaneously with the anode as described above, or in a separate firing step after the anode is fully formed.

Normalmente, el cátodo tendrá un grosor en el intervalo de 30 mm a 60 mm, a menudo de 40 mm a 50 mm. El cátodo comprenderá generalmente dos capas, una capa activa delgada donde tiene lugar la reducción del oxígeno, y una capa colectora de corriente más gruesa, para permitir que la corriente de una celda de la pila sea colectada. La capa colectora de corriente será generalmente una perovskita tal como la cobaltita de lantano y estroncio, aunque puede utilizarse cualquier material cerámico conductor de la electricidad.Typically the cathode will have a thickness in the range of 30mm to 60mm, often 40mm to 50mm. The cathode will generally comprise two layers, a thin active layer where oxygen reduction takes place, and a thicker current collecting layer, to allow current from one cell of the stack to be collected. The current collecting layer will generally be a perovskite such as strontium lanthanum cobaltite, although any electrically conductive ceramic material can be used.

El cátodo de la capa activa puede comprender una mezcla de polvo sinterizado de conductor mixto de óxido de perovskita y ceria dopada con tierras raras, siendo la ceria dopada con tierras raras la definida anteriormente. La perovskita puede consistir en La1-xSrxCoyFe1-yO3-5, donde 0,5>x>0,2 y 1>y>0,2. En particular, el conductor mixto de óxido de perovskita puede comprender uno o más de entre el La0,6Sr0,4CO0,2Fe0,8O3-5, el Gd0,5CoO3-5, y el RExSnxCoO3-d, (donde RE= La, Sm, Pr y 0,5<x<0,8). Puede ser útil utilizar estos compuestos ya que tienen una mayor conductividad iónica que la mayoría de las perovskitas. En algunos casos, la mezcla contiene entre el 20 y el 50 % en peso de ceria dopada con tierras raras, en algunos casos entre el 30 y el 45 % en peso, en algunos casos entre el 35 y el 45 % en peso, o aproximadamente el 40 % en peso de ceria dopada con tierras raras, tal como se ha definido anteriormente. Esto ayuda a mejorar la compatibilidad entre el cátodo y el electrolito tanto químicamente como en términos de la expansión térmica descrita anteriormente, y como estas cerias tienen altas tasas de transferencia de carga, su inclusión asegura una buena tasa de transferencia de carga entre el electrolito y el cátodo.The cathode of the active layer may comprise a mixed conductor sintered powder mixture of perovskite oxide and rare earth doped ceria, the rare earth doped ceria being defined above. Perovskite can consist of La1-xSrxCoyFe1-yO3-5, where 0.5> x> 0.2 and 1> y> 0.2. In particular, the perovskite oxide mixed conductor can comprise one or more of La0.6Sr0.4CO0.2Fe0.8O3-5, Gd0.5CoO3-5, and RExSnxCoO3-d, (where RE = La, Sm , Pr y 0.5 <x <0.8). It may be helpful to use these compounds as they have higher ionic conductivity than most perovskites. In some cases, the mixture contains between 20 and 50% by weight of rare earth doped ceria, in some cases between 30 and 45% by weight, in some cases between 35 and 45% by weight, or about 40% by weight of rare earth doped ceria, as defined above. This helps to improve the compatibility between the cathode and the electrolyte both chemically and in terms of the thermal expansion described above, and since these ceria have high charge transfer rates, their inclusion ensures a good rate of charge transfer between the electrolyte and the cathode.

El cátodo se sinterizará generalmente antes de su uso. El cátodo se aplicará normalmente como una o más capas (por ejemplo, activa y de colección de corriente) directa o indirectamente sobre el electrolito sinterizado y se sinterizará en condiciones similares a las descritas anteriormente para el ánodo. De este modo, se obtiene una celda de combustible de tipo metálico de temperatura intermedia, que es resistente a los ciclos repetidos de REDOX y, como resultado de la estructura del ánodo formada, a la depravación del combustible a alta temperatura.The cathode will generally be sintered before use. The cathode will normally be applied as one or more layers (eg active and current collection) directly or indirectly on the sintered electrolyte and sintered under conditions similar to those described above for the anode. In this way, an intermediate temperature metallic type fuel cell is obtained, which is resistant to repeated REDOX cycles and, as a result of the anode structure formed, to high temperature fuel depravity.

En un segundo aspecto de la invención se proporciona una celda de combustible con soporte metálico SOFC que comprende un ánodo, un cátodo y un electrolito, en donde el ánodo incluye níquel, cobre y ceria dopada con tierras raras. Como se ha descrito anteriormente, para proporcionar una estructura robusta de la celda de combustible, el níquel, el cobre y la ceria dopada con tierras raras están generalmente sinterizados. En uso, el níquel puede estar en una forma que comprenda níquel metálico, óxido de níquel y combinaciones de los mismos, dependiendo del estado REDOX del níquel. Por ejemplo, el níquel estará en forma de óxido de níquel en el momento de la formación de la celda, pero se reducirá a níquel metálico en el momento del primer uso de la celda. Del mismo modo, el cobre puede estar en una forma que comprenda cobre metálico, óxido de cobre (I), óxido de cobre (II) y combinaciones de los mismos. Además, pueden formarse fases mixtas de metal y óxido metálico, debido a la solubilidad mutua del níquel y el cobre a altas temperaturas. Así, puede darse el caso de que se forme una aleación de níquel y cobre que, al oxidarse, forme un óxido metálico mixto de níquel y cobre, que podría describirse generalmente como de fórmula NixCu1-xO, siendo x variable entre 0 y 1, como comprenderá el lector experto. También podrían formarse óxidos mixtos que contengan cerio, debido a la solubilidad del óxido de cobre en la ceria dopada. El ánodo, el cátodo y el electrolito serán, en otros aspectos, generalmente como se ha descrito anteriormente.In a second aspect of the invention there is provided a SOFC metal supported fuel cell comprising an anode, a cathode and an electrolyte, wherein the anode includes nickel, copper and rare earth doped ceria. As described above, to provide a robust fuel cell structure, nickel, copper, and rare earth doped ceria are generally sintered. In use, the nickel may be in a form comprising metallic nickel, nickel oxide, and combinations thereof, depending on the REDOX state of the nickel. For example, nickel will be in the nickel oxide form at the time of cell formation, but will be reduced to metallic nickel at the time of the first use of the cell. Similarly, copper can be in a form comprising metallic copper, copper (I) oxide, copper (II) oxide, and combinations thereof. Furthermore, mixed phases of metal and metal oxide can form, due to the mutual solubility of nickel and copper at high temperatures. Thus, it may be the case that an alloy of nickel and copper is formed that, when oxidized, forms a mixed metal oxide of nickel and copper, which could generally be described as having the formula NixCu1-xO, where x is variable between 0 and 1, as the expert reader will understand. Mixed oxides containing cerium could also form, due to the solubility of copper oxide in doped ceria. The anode, cathode and electrolyte will, in other respects, generally be as described above.

En algunos casos, la celda de combustible será una celda de combustible del tipo descrito en la patente GB 2368450 concedida de los solicitantes, que se incorpora en el presente documento para referencia. En tales casos, la celda de combustible puede comprender:In some cases, the fuel cell will be a fuel cell of the type described in GB 2368450 issued by Applicants, which is incorporated herein by reference. In such cases, the fuel cell may comprise:

(i) un soporte de acero inoxidable ferrítico que incluye una región porosa y una región no porosa que limita la región porosa; (i) a ferritic stainless steel support that includes a porous region and a non-porous region that limits the porous region;

(ii) una placa bipolar de acero inoxidable ferrítico situada bajo una de las superficies de la región porosa del soporte y unida de forma estanca a la región no porosa del soporte en torno a la región porosa del mismo;(ii) a ferritic stainless steel bipolar plate located under one of the surfaces of the porous region of the support and tightly attached to the non-porous region of the support around the porous region of the support;

(iii) un ánodo que comprende una capa anódica situada sobre la otra superficie de la región porosa del soporte; (iii) an anode comprising an anode layer located on the other surface of the porous region of the support;

(iv) un electrolito que comprende una capa electrolítica situada sobre la capa anódica; y(iv) an electrolyte comprising an electrolytic layer located on top of the anode layer; and

(v) un cátodo que comprende una capa catódica situada sobre la capa de electrolito; en donde el ánodo incluye níquel, cobre y una ceria dopada con tierras raras.(v) a cathode comprising a cathode layer positioned on top of the electrolyte layer; wherein the anode includes nickel, copper and a rare earth doped ceria.

La celda de combustible puede estar presente en una pila de celdas de combustible, que comprende dos o más celdas de combustible, y por lo tanto se proporciona en un tercer aspecto de la invención, una pila de celdas de combustible que comprende celdas de combustible según el segundo aspecto de la invención. Cada celda de combustible puede comprender una placa bipolar, como se ha descrito anteriormente, a la que se puede soldar el soporte, o sellar de otro modo.The fuel cell may be present in a fuel cell stack, comprising two or more fuel cells, and therefore provided in a third aspect of the invention, a fuel cell stack comprising fuel cells according to the second aspect of the invention. Each fuel cell can comprise a bipolar plate, as described above, to which the bracket can be welded, or otherwise sealed.

En un cuarto aspecto de la invención, también se proporciona el uso de una celda de combustible según el segundo aspecto de la invención en la generación de energía eléctrica.In a fourth aspect of the invention, the use of a fuel cell according to the second aspect of the invention in the generation of electrical power is also provided.

El proceso de la invención tiene por objeto proporcionar un método para la fabricación de un ánodo de película gruesa de níquel-cobre-ceria dopada con tierra rara intensamente sinterizado, adecuado para su uso en una celda de combustible de óxido sólido con soporte metálico SOFC, evitando al mismo tiempo los problemas de una mala sinterización anódica, y la delaminación del electrolito en uso. Puede ser el caso que el proceso sea un proceso para formar una celda de combustible de óxido sólido con soporte metálico, comprendiendo el proceso los pasos de: The process of the invention aims to provide a method for the manufacture of an intensely sintered rare earth doped nickel-copper-ceria thick film anode suitable for use in a SOFC metal-supported solid oxide fuel cell, avoiding at the same time the problems of a bad anodic sintering, and the delamination of the electrolyte in use. It may be the case that the process is a process to form a solid oxide fuel cell with metal support, the process comprising the steps of:

a) aplicar una capa anódica en verde que incluye óxido de níquel, óxido de cobre y ceria dopada con tierras raras a un sustrato metálico, en donde el óxido de níquel, el óxido de cobre y la ceria dopada con tierras raras están pulverizados, y los polvos tienen una distribución de tamaño de partícula d90 en el intervalo de 0,1 mm a 4 mm; opcionalmente de 0,2 mm a 3 mm y contienen una relación en peso de óxido de níquel a óxido de cobre en el intervalo de 20:1 a 4:1, y en donde el óxido de níquel, el óxido de cobre y la ceria dopada con tierras raras se aplican opcionalmente como una tinta, comprendiendo la tinta opcionalmente un contenido total de sólidos en el intervalo de 30 a 70% de óxidos metálicos mezclados, con opcionalmente en el intervalo de 5 a 50 % en peso del óxido metálico total de óxido de cobre;a) applying a green anodic layer including nickel oxide, copper oxide and rare earth doped ceria to a metal substrate, where nickel oxide, copper oxide and rare earth doped ceria are powdered, and the powders have a d90 particle size distribution in the range of 0.1 mm to 4 mm; optionally 0.2mm to 3mm and contain a weight ratio of nickel oxide to copper oxide in the range of 20: 1 to 4: 1, and wherein nickel oxide, copper oxide and ceria doped with rare earths are optionally applied as an ink, the ink optionally comprising a total solids content in the range of 30 to 70% of mixed metal oxides, with optionally in the range of 5 to 50% by weight of the total metal oxide of copper oxide;

b) opcionalmente, secar la tinta para obtener una capa impresa de un grosor en el intervalo de 5 mm a 40 mm; b) optionally, drying the ink to obtain a printed layer having a thickness in the range of 5mm to 40mm;

c) comprimir la capa anódica en verde a presiones opcionalmente comprendidas en el intervalo de 100 MPa a 300 MPa;c) compressing the green anode layer at pressures optionally in the range of 100 MPa to 300 MPa;

d) opcionalmente, calentar la capa impresa para eliminar la base de tinta dejando una capa anódica en verde que comprende óxido de níquel, óxido de cobre y una ceria dopada con tierras raras;d) optionally heating the printed layer to remove the ink base leaving a green anodic layer comprising nickel oxide, copper oxide and a rare earth doped ceria;

e) sinterizar la capa anódica en verde a una temperatura opcionalmente comprendida en el intervalo de 950 °C a 1.100 °C para formar un compuesto;e) sintering the green anode layer at a temperature optionally in the range of 950 ° C to 1,100 ° C to form a composite;

f) proporcionar un electrolito; yf) providing an electrolyte; and

g) proporcionar un cátodo.g) providing a cathode.

A menos que se indique lo contrario, cada uno de los números enteros descritos en la invención puede utilizarse en combinación con cualquier otro número entero, tal como lo entendería un experto en la técnica. Además, aunque todos los aspectos de la invención preferiblemente "comprenden" las características descritas en relación con ese aspecto, se prevé específicamente que puedan "consistir" o "consistir esencialmente" en las características descritas en las reivindicaciones. Además, se entiende que a todos los términos, a menos que se definan específicamente en el presente documento, se les de su significado comúnmente entendido en la técnica.Unless otherwise indicated, each of the integers described in the invention may be used in combination with any other integer, as would be understood by one of ordinary skill in the art. Furthermore, while all aspects of the invention preferably "comprise" the features described in connection with that aspect, it is specifically envisaged that they may "consist" or "consist essentially" of the features described in the claims. Furthermore, it is understood that all terms, unless specifically defined herein, are given their commonly understood meanings in the art.

Además, en el examen de la invención, a menos que se indique lo contrario, la descripción de valores alternativos para el límite superior o inferior del intervalo permitido de un parámetro, debe interpretarse como una declaración implícita de que cada valor intermedio de dicho parámetro, que se encuentra entre la menor y mayor de las alternativas, está también él mismo descrito como un posible valor para el parámetro.Furthermore, in examining the invention, unless otherwise indicated, the description of alternative values for the upper or lower limit of the allowed range of a parameter should be construed as an implicit statement that each intermediate value of said parameter, which is between the smallest and largest of the alternatives, is also itself described as a possible value for the parameter.

Además, a menos que se indique lo contrario, todos los valores numéricos que aparecen en esta solicitud deben entenderse modificados por el término "aproximadamente".Furthermore, unless otherwise indicated, all numerical values appearing in this application are to be understood as modified by the term "about".

Breve descripción de los dibujosBrief description of the drawings

Para que la presente invención pueda entenderse más fácilmente, se describirá más adelante con referencia a las figuras y a los ejemplos específicos. In order that the present invention may be more easily understood, it will be described below with reference to the figures and specific examples.

La figura 1 es una representación esquemática de una SOFC tal y como se describe en el documento GB 2368450; Figure 1 is a schematic representation of a SOFC as described in GB 2368450;

la figura 2 es una micrografía electrónica de barrido (SEM) que muestra una sección transversal a través de una SOFC de la figura 1 (15,0 kV, 7,9 mm x 1,50k);Figure 2 is a scanning electron micrograph (SEM) showing a cross section through a SOFC of Figure 1 (15.0 kV, 7.9 mm x 1.50k);

la figura 3 es una SEM que muestra una sección transversal a través de una SOFC que incluye un ánodo formado a partir de un compuesto de óxido de níquel - óxido de cobre - GCO (15,0 kV, 8,5 mm x 1,0k,);Figure 3 is an SEM showing a cross section through a SOFC that includes an anode formed from a nickel oxide-copper oxide-GCO compound (15.0 kV, 8.5 mm x 1.0k ,);

la figura 4 es una SEM que muestra una sección transversal de un ánodo sinterizado formado a partir de un compuesto de óxido de níquel - GCO (15,0 kV, 7,1 mm x 13k);Figure 4 is a SEM showing a cross section of a sintered anode formed from a nickel oxide-GCO compound (15.0 kV, 7.1 mm x 13k);

la figura 5 es una SEM que muestra una sección transversal de un ánodo sinterizado formado a partir de un compuesto de óxido de níquel - óxido de cobre - GCO (15,0 kV, 8,9 mm x 13k);Figure 5 is an SEM showing a cross section of a sintered anode formed from a nickel oxide-copper oxide-GCO compound (15.0 kV, 8.9 mm x 13k);

la figura 6 es una curva de corriente-tensión de la SOFC de la figura 3 en función de la temperatura de funcionamiento de la celda (combustible de 56% de hidrógeno - 44% de nitrógeno, exceso de aire alimentado al cátodo);Figure 6 is a current-voltage curve of the SOFC of Figure 3 as a function of cell operating temperature (56% hydrogen fuel - 44% nitrogen, excess air fed to the cathode);

la figura 7 es un gráfico de ciclo de potencia de la SOFC de la figura 3; yFigure 7 is a power cycle graph of the SOFC of Figure 3; and

la figura 8 es una tabla que muestra la resistencia mecánica mejorada del compuesto de óxido de níquel - óxido de cobre - GCO ilustrado en la figura 3 en relación con el ánodo de níquel - CGO ilustrado en la figura 2.Figure 8 is a table showing the improved mechanical strength of the nickel oxide-copper oxide-GCO compound illustrated in Figure 3 in relation to the nickel-CGO anode illustrated in Figure 2.

Descripción detalladaDetailed description

En la figura 1 se muestra de forma esquemática una SOFC 10, tal y como se describe en el documento GB 2368450, y en sección transversal de SEM en la figura 2. Ambas figuras muestran un sustrato 1 de acero inoxidable ferrítico, hecho parcialmente poroso mediante la perforación por láser de miles de agujeros a través de la región central del sustrato 2. El sustrato poroso está cubierto por una capa 3 anódica de óxido de níquel y CGO que cubre la región porosa 2 del sustrato 1. Sobre la capa 3 anódica se deposita una capa 4 de electrolito de CGO (10 mm - 20 mm, CGO), que se superpone al ánodo 3 en la zona 9 no perforada del sustrato 1, formando así un sello alrededor del borde del ánodo 3. El cátodo 5,6 tiene una fina capa 5 activa (compuesto de CGO) donde tiene lugar la reducción del oxígeno, y una capa 6 colectora de corriente más gruesa (cobaltita de lantano y estroncio) para permitir la colección de corriente de la celda 10 de una pila. La figura 2 muestra además una capa 7 de circonia estabilizada muy fina y una capa 8 de ceria dopada aún más fina, que bloquean la conductividad electrónica (impidiendo los cortocircuitos por reacciones químicas no deseadas entre el cátodo 5,6 y la capa 7 de circonia) y forman la interfaz entre el ánodo 3 y el electrolito 5,6 respectivamente.In figure 1 a SOFC 10 is schematically shown, as described in document GB 2368450, and in cross section of SEM in figure 2. Both figures show a ferritic stainless steel substrate 1, made partially porous by the laser drilling of thousands of holes through the central region of the substrate 2. The porous substrate is covered by an anodic layer 3 of nickel oxide and CGO covering the porous region 2 of the substrate 1. On the anodic layer 3 is deposits a layer 4 of CGO electrolyte (10 mm - 20 mm, CGO), which is superimposed on anode 3 in the unperforated zone 9 of substrate 1, thus forming a seal around the edge of anode 3. The cathode 5,6 It has a thin active layer 5 (CGO compound) where oxygen reduction takes place, and a thicker current collecting layer 6 (lanthanum strontium cobaltite) to allow current collection from cell 10 of a battery. Figure 2 also shows a very thin stabilized zirconia layer 7 and an even finer doped ceria layer 8, which block the electronic conductivity (preventing short circuits due to unwanted chemical reactions between the cathode 5,6 and the zirconia layer 7 ) and form the interface between anode 3 and electrolyte 5,6 respectively.

La SOFC 10 de las Figuras 1 y 2 se preparó aplicando una tinta de serigrafía que contenía partículas suspendidas de polvo de óxido de níquel y polvo de CGO (d90 = 0,7 mm a 1,2 mm, siendo la relación entre el óxido de níquel y el CGO en la tinta de 1,8:1 en peso). La tinta se imprimió por serigrafía sobre el sustrato 1 de acero inoxidable ferrítico utilizando métodos convencionales, y se secó en un horno para evaporar los disolventes y fijar los aglutinantes, formando así una capa impresa seca de 9 mm a 15 mm de espesor. La capa seca e impresa se comprimió mediante prensado isostático en frío a una presión de 300 MPa. La capa del ánodo en verde se colocó en un horno y se calentó a una temperatura de 960 °C en atmósfera de aire durante 40 minutos, para producir una capa 3 sinterizada del ánodo. Se pulverizó una capa 4 de electrolito CGO sobre la capa 3 anódica y se coció en un horno a 1.020 °C durante 40 minutos. Por último, se aplicó la capa 7 de circonia a la capa de electrolito cocida mediante el método descrito en el documento GB 2 456 445, seguido de la aplicación de la capa 8 de ceria dopada y de las dos capas 5,6 catódicas, también utilizando los métodos del documento GB 2456445, antes de la cocción a una temperatura de 825 °C para producir la estructura 1 de la celda de combustible SOFC.The SOFC 10 of Figures 1 and 2 was prepared by applying a screen printing ink containing suspended particles of nickel oxide powder and CGO powder (d90 = 0.7 mm to 1.2 mm, the ratio of oxide to nickel and the CGO in the ink of 1.8: 1 by weight). The ink was screen printed onto the ferritic stainless steel substrate 1 using conventional methods, and dried in an oven to evaporate the solvents and fix the binders, thus forming a dry printed layer 9mm to 15mm thick. The dried and printed layer was compressed by cold isostatic pressing at a pressure of 300 MPa. The anode layer in green was placed in an oven and heated at a temperature of 960 ° C in an air atmosphere for 40 minutes, to produce a sintered anode layer 3. A CGO electrolyte layer 4 was sprayed onto the anode layer 3 and baked in an oven at 1020 ° C for 40 minutes. Finally, the zirconia layer 7 was applied to the fired electrolyte layer by the method described in GB 2 456 445, followed by the application of the doped ceria layer 8 and the two cathodic 5,6 layers, also using the methods of GB 2456445, prior to firing at a temperature of 825 ° C to produce structure 1 of the SOFC fuel cell.

La figura 3 muestra una sección transversal a través de una SOFC que incluye un compuesto de óxido de níquel -óxido de cobre - CGO según la reivindicación. El óxido de níquel y el óxido de cobre están presentes en una proporción de 9:1 en peso, lo que da lugar a una proporción de 9:1 entre el níquel y el cobre en uso. Sujeto a la introducción del cobre en la estructura anódica, de manera que la proporción 1:1,3 de óxido de níquel:CGO descrita anteriormente se convierta en una proporción 1:1,3 del óxido metálico mixto (a saber, óxido de níquel y óxido de cobre) con respecto al CGO, la estructura de la celda de combustible estaba en consonancia con la celda de la técnica previa de las figuras 1 y 2. La fabricación siguió de cerca el método de preparación de la celda de la técnica previa, con la excepción de que la capa impresa seca se calentó en un horno a una temperatura de 350 °C antes de la compresión para eliminar los aglutinantes orgánicos de la tinta y proporcionar una capa anódica en verde, y que la cocción del ánodo se realizó a 1.020 °C durante 45 minutos.Figure 3 shows a cross section through a SOFC including a nickel oxide-copper oxide-CGO compound according to the claim. Nickel oxide and copper oxide are present in a 9: 1 ratio by weight, resulting in a 9: 1 ratio of nickel to copper in use. Subject to the introduction of copper into the anodic structure, such that the 1: 1.3 ratio of nickel oxide: CGO described above becomes a 1: 1.3 ratio of the mixed metal oxide (namely, nickel oxide and copper oxide) relative to CGO, the fuel cell structure was in line with the prior art cell of Figures 1 and 2. The fabrication closely followed the prior art cell preparation method , with the exception that the dried printed layer was heated in an oven at a temperature of 350 ° C before compression to remove organic binders from the ink and provide a green anodic layer, and that the anode firing was performed at 1,020 ° C for 45 minutes.

EjemplosExamples

Estructura del ánodoAnode structure

Las figuras 4 y 5 muestran la diferencia en la estructura del ánodo obtenida mediante la adición de óxido de cobre a la estructura del compuesto. El compuesto de la figura 4 tiene una composición de 64 % en peso de óxido de níquel y 36 % en peso de CGO y el compuesto de la figura 5, 51 % en peso de óxido de níquel, 5,7 % en peso de óxido de cobre (II) y 43,3 % en peso de CGO. Para mejorar la estabilidad REDOX del ánodo de níquel-cobre de la figura 5, se redujo un poco el nivel de óxido metálico en relación con el ánodo original mostrado en la figura 4. Tras la reducción durante el funcionamiento de la celda de combustible, el cermet del ánodo de la figura 4 tiene un 53 % en volumen de metal, frente al 45 % en volumen de metal de la figura 5. Se ha demostrado que la reducción del contenido de metal por sí sola no confiere un nivel adecuado de estabilidad REDOX; también se requiere la adición de cobre. Ambos compuestos se prepararon como se ha indicado anteriormente, y se cocieron en aire a 1.020 °C durante 60 minutos antes de su fabricación en celdas y su reducción a metal in situ para formar los cermets mostrados.Figures 4 and 5 show the difference in the anode structure obtained by adding copper oxide to the compound structure. The compound of Figure 4 has a composition of 64% by weight of nickel oxide and 36% by weight of CGO and the compound of Figure 5, 51% by weight of nickel oxide, 5.7% by weight of oxide from copper (II) and 43.3% by weight of CGO. To improve the REDOX stability of the nickel-copper anode in Figure 5, the metal oxide level was reduced somewhat relative to the original anode shown in Figure 4. After reduction during fuel cell operation, the The cermet of the anode in Figure 4 has 53% by volume of metal, compared to 45% by volume of metal in Figure 5. It has been shown that reducing the metal content alone does not confer an adequate level of REDOX stability. ; the addition of copper is also required. Both compounds were prepared as above, and fired in air at 1,020 ° C for 60 minutes prior to cell fabrication and metal reduction in situ to form the cermets shown.

Una buena sinterización se evidencia por una clara distinción entre las regiones cerámicas y metálicas, y porque las partículas de ambas fases, cerámica y metálica, se han fundido juntas. Las regiones cerámicas aparecen como regiones claras y las regiones metálicas como manchas oscuras. Como puede observarse, el compuesto de la figura 5, que contiene cobre, incluye partículas metálicas más grandes y oscuras, lo que indica una buena sinterización; la estructura bien sinterizada del CGO también es fácilmente observable. Esta estructura bien sinterizada también puede verse en la figura 3 (ánodo 3).Good sintering is evidenced by a clear distinction between the ceramic and metallic regions, and because the particles of both the ceramic and metallic phases have fused together. Ceramic regions appear as light regions and metallic regions as dark spots. As can be seen, the compound of Figure 5, which contains copper, includes larger and darker metallic particles, indicating good sintering; the well sintered structure of the CGO is also easily observable. This well sintered structure can also be seen in figure 3 (anode 3).

Se ha demostrado que la estructura del ánodo resultante es altamente estable a REDOX a temperaturas de funcionamiento de <650 °C, siendo capaz de soportar cientos de interrupciones de combustible a alta temperatura sin una degradación significativa del rendimiento de la celda.The resulting anode structure has been shown to be highly stable to REDOX at operating temperatures of <650 ° C, being capable of withstanding hundreds of high temperature fuel outages without significant degradation of cell performance.

Selección del cobreCopper selection

Se sabe que una serie de cationes mejoran la sinterización de la ceria dopada, entre ellos el cobre, el cobalto, el hierro, el manganeso y el litio (US 6709628, J.D. Nicholas y L. C. De Jonghe, Solid State Ionics, 178 (2007), 1187-1194). Por lo tanto, se consideró la posibilidad de dopar la ceria dopada con tierras raras con uno de estos cationes. De los cationes mencionados, el cobre, el cobalto y el litio son los más eficaces para mejorar la sinterización de la ceria dopada con tierras raras. El cobre y el cobalto son los únicos cationes que el solicitante considera adecuados para su uso en un ánodo de una celda de combustible sólido (SOFC), ya que el óxido de litio es muy reactivo y, además, se sabe que es muy perjudicial para la conductividad iónica de la ceria dopada con tierras raras al formar una fase aislante en los límites del grano. Se sabe que el cobalto mejora la sinterización de la ceria dopada con tierras raras y que, además, es eficaz como catalizador de ánodos (C. M. Grgicak, R.C. Green y J. B. Giorgi, J. Power Sources, 179(1), 2008, 317-328), aunque normalmente menos que el níquel. Sin embargo, la evaluación inicial del comportamiento de sinterización de los materiales compuestos utilizando un dilatómetro de varilla de empuje demostró sorprendentemente que el óxido de cobalto no es eficaz para mejorar la sinterización del óxido de níquel, y por lo tanto la sinterabilidad del material compuesto del ánodo no mejoró significativamente por la sustitución parcial o incluso completa del óxido de níquel por el óxido de cobalto. El óxido de cobre, por el contrario, demostró un gran aumento de la sinterabilidad del compuesto, en parte se sospecha que porque puede formar un eutéctico de bajo punto de fusión con el óxido de níquel, introduciendo así cierta sinterización en fase líquida.A number of cations are known to enhance sintering of doped ceria, including copper, cobalt, iron, manganese, and lithium (US 6709628, JD Nicholas and LC De Jonghe, Solid State Ionics, 178 (2007) , 1187-1194). Therefore, the possibility of doping rare earth-doped ceria with one of these cations was considered. Of the cations mentioned, copper, cobalt and lithium are the most effective in enhancing sintering of rare earth doped ceria. Copper and cobalt are the only cations that the applicant considers suitable for use in an anode of a solid fuel cell (SOFC), as lithium oxide is highly reactive and is also known to be very harmful to the ionic conductivity of the rare earth doped ceria by forming an insulating phase at the grain boundaries. Cobalt is known to enhance the sintering of rare earth-doped ceria and is also effective as an anode catalyst (CM Grgicak, RC Green and JB Giorgi, J. Power Sources, 179 (1), 2008, 317- 328), although normally less than nickel. However, the initial evaluation of the sintering behavior of composites using a pushrod dilatometer surprisingly showed that cobalt oxide is not effective in improving the sintering of nickel oxide, and therefore the sinterability of the composite material of the anode was not significantly improved by the partial or even complete replacement of nickel oxide by cobalt oxide. Copper oxide, on the other hand, showed a large increase in the sinterability of the compound, in part it is suspected that because it can form a low-melting eutectic with nickel oxide, thus introducing some sintering in the liquid phase.

Rendimiento de la celda de combustibleFuel cell performance

La figura 6 es una serie de curvas de polarización corriente-tensión para la celda de combustible de la figura 3, a diferentes temperaturas de funcionamiento. La tasa de alimentación se calculó para dar aproximadamente un 60 % de utilización del combustible a 0,75 V/celda a cada una de las temperaturas medidas, lo que demuestra que el sistema puede funcionar en un intervalo de temperaturas tan amplio como, al menos, de 495 °C a 616 °C, lo que permite optimizar la temperatura de funcionamiento en función de la aplicación, el número de celdas en la pila, la producción requerida, etc.Figure 6 is a series of current-voltage bias curves for the fuel cell of Figure 3, at different operating temperatures. The feed rate was calculated to give approximately 60% fuel utilization at 0.75V / cell at each of the measured temperatures, demonstrating that the system can operate over a temperature range as wide as at least , from 495 ° C to 616 ° C, which allows optimizing the operating temperature depending on the application, the number of cells in the stack, the required production, etc.

La figura 7 muestra la muy buena estabilidad REDOX posible con esta estructura de ánodo. Se ejecuta una serie de ciclos a 600 °C en una pila corta de siete capas, donde se ejecuta una curva de corriente-tensión para establecer el rendimiento de la pila. A continuación, se devuelve la pila a circuito abierto y se corta el suministro de hidrógeno a la pila mientras se mantiene la pila a 580 °C - 600 °C. Durante este periodo se mantienen en la pila el aire y el nitrógeno. La interrupción del combustible se mantiene durante 20 minutos, dando tiempo a que el ánodo se reoxide parcialmente. A continuación, se restablece la alimentación de hidrógeno y, tras dejar que la pila se recupere durante unos minutos, se ejecuta otra curva de corriente-tensión para determinar si se ha perdido rendimiento de la pila como resultado del ciclo REDOX del ánodo. Esta secuencia continúa hasta que el rendimiento de la pila comienza a disminuir, lo que indica que se han producido daños en una o más celdas como consecuencia del ciclo REDOX.Figure 7 shows the very good REDOX stability possible with this anode structure. A series of cycles is run at 600 ° C in a short seven-layer cell, where a current-voltage curve is run to establish the performance of the cell. The cell is then returned to an open circuit and the hydrogen supply to the cell is cut off while keeping the cell at 580 ° C - 600 ° C. During this period, air and nitrogen are kept in the pile. The fuel shutdown is maintained for 20 minutes, allowing time for the anode to partially reoxide. The hydrogen feed is then restored, and after allowing the cell to recover for a few minutes, another current-voltage curve is run to determine if cell performance has been lost as a result of the anode REDOX cycle. This sequence continues until the performance of the stack begins to decline, indicating that one or more cells have been corrupted as a result of the REDOX cycle.

Se puede ver en la figura 7 que con la celda SOFC de la figura 3, las siete celdas dentro de la pila tolerarán más de 500 ciclos REDOX sin ninguna pérdida significativa de rendimiento después de un pequeño rodaje inicial, con 544 ciclos ejecutados en total.It can be seen from Figure 7 that with the SOFC cell of Figure 3, the seven cells within the stack will tolerate more than 500 REDOX cycles without any significant loss of performance after a small initial break-in, with 544 cycles executed in total.

Aumento de la resistencia mecánica del ánodo gracias a la adición de cobreIncreased mechanical resistance of the anode thanks to the addition of copper

La figura 8 es una tabla de los resultados de las pruebas de resistencia mecánica realizadas en las celdas SOFC tanto después de la fabricación inicial como después de que las celdas hayan funcionado en una prueba inicial de caracterización del rendimiento, tanto para los ánodos estándar de níquel-CGO como se ilustra en la figura 2, como para los ánodos de níquel-cobre CGO como se ilustra en la figura 3. Figure 8 is a table of the results of the mechanical strength tests performed on the SOFC cells both after the initial manufacture and after the cells have operated in an initial performance characterization test, both for the standard nickel anodes. -CGO as illustrated in figure 2, as for CGO nickel-copper anodes as illustrated in figure 3.

En las celdas según salen de su fabricación, los ánodos están en estado oxidado y antes de la prueba mecánica se reducen para imitar la estructura del ánodo en la celda al comienzo del funcionamiento, mientras que los ánodos en las celdas "después del funcionamiento" están en el estado final de cermet de los ánodos de trabajo.In cells as they come out of manufacture, the anodes are in the oxidized state and prior to mechanical testing they are reduced to mimic the structure of the anode in the cell at the beginning of operation, while the anodes in the cells "after operation" are in the final cermet state of the working anodes.

Para realizar la medición de la resistencia mecánica de las celdas, los sustratos metálicos de las celdas se pegan primero a una placa de acero plana para evitar que las celdas se flexionen cuando se aplica una fuerza de tracción. Los cátodos de las celdas se retiran mecánicamente, dejando al descubierto el electrolito.To measure the mechanical strength of the cells, the metal substrates of the cells are first glued to a flat steel plate to prevent the cells from flexing when a tensile force is applied. The cell cathodes are mechanically removed, exposing the electrolyte.

Para evaluar la resistencia mecánica del ánodo y/o la unión ánodo-electrolito, se pegan piezas de prueba metálicas circulares a la superficie del electrolito en las cuatro esquinas del mismo y en el centro de la celda. Se utiliza un rayador de diamante para cortar las capas cerámicas de la celda alrededor de la pieza metálica de prueba. A continuación, se coloca un extractor hidráulico calibrado en la pieza de ensayo y se utiliza para medir la tensión necesaria para extraer la pieza de ensayo del sustrato de la celda. Con esta técnica se puede aplicar un esfuerzo máximo de tracción de 17 MPa, después del cual tiende a fallar el pegamento que sujeta la pieza de ensayo al electrolito y no las capas de la celda de combustible que se está ensayando. Si la pieza de ensayo se desprende a menos de 17 MPa, esto indica la tensión de fallo de la capa más débil de la celda (normalmente la estructura interna del ánodo).To evaluate the mechanical strength of the anode and / or the anode-electrolyte junction, circular metallic test pieces are glued to the surface of the electrolyte at the four corners of the electrolyte and in the center of the cell. A diamond scorer is used to cut the ceramic layers of the cell around the test piece of metal. A calibrated hydraulic puller is then placed on the test piece and used to measure the tension required to extract the test piece from the cell substrate. With this technique a maximum tensile stress of 17 MPa can be applied, after which the glue holding the test piece to the electrolyte tends to fail and not the layers of the fuel cell being tested. If the test piece is shed at less than 17 MPa, this indicates the failure stress of the weakest layer of the cell (usually the internal structure of the anode).

Se puede ver que mientras los ánodos estándar de níquel CGO son fuertes en su estado según salen de fabricación, fallan a tensiones mucho más bajas después de la reducción del óxido de níquel a níquel metálico en la celda "después de su funcionamiento". Sin estar limitado por la teoría, se cree que esto se debe en gran medida a la falta de una estructura cerámica contigua dentro del ánodo, lo que significa que la fuerza mecánica del ánodo es proporcionada enteramente por conexiones relativamente débiles entre las partículas de níquel. Por el contrario, se observa que los ánodos de níquel-cobre CGO conservan su resistencia tras la reducción a la estructura de cermet, lo que indica una sinterización mucho mayor de las fases metálica y cerámica.It can be seen that while standard CGO nickel anodes are strong in their out-of-the-box state, they fail at much lower stresses after reduction of nickel oxide to nickel metal in the cell "after run." Without being bound by theory, it is believed that this is largely due to the lack of a contiguous ceramic structure within the anode, meaning that the mechanical strength of the anode is provided entirely by relatively weak connections between the nickel particles. In contrast, CGO nickel-copper anodes are observed to retain their strength upon reduction to the cermet structure, indicating much greater sintering of the metallic and ceramic phases.

Debe apreciarse que los procesos y la celda de combustible de la invención son capaces de ser incorporados en forma de una variedad de realizaciones, de las cuales solamente unas pocas han sido ilustradas y descritas anteriormente. It should be appreciated that the processes and the fuel cell of the invention are capable of being incorporated in the form of a variety of embodiments, only a few of which have been illustrated and described above.

Claims (14)

REIVINDICACIONES 1. Un proceso para formar una celda de combustible de óxido sólido con soporte metálico, comprendiendo el proceso los pasos de:1. A process to form a solid oxide fuel cell with metal support, the process comprising the steps of: a) aplicar una capa anódica en verde que incluye óxido de níquel, óxido de cobre y una ceria dopada con tierras raras a un sustrato metálico de acero inoxidable, en donde el óxido de níquel, el óxido de cobre y la ceria dopada con tierras raras están pulverizados, teniendo los polvos una distribución de tamaño de partícula d90 en el intervalo de 0,1 mm a 4mm y en donde una proporción en peso de óxido de níquel a óxido de cobre está en el intervalo de 20:1 a 4:1; b) comprimir la capa de ánodo en verde;a) apply a green anodic layer that includes nickel oxide, copper oxide and a rare earth doped ceria to a stainless steel metal substrate, where nickel oxide, copper oxide and rare earth doped ceria are pulverized, the powders having a d90 particle size distribution in the range of 0.1mm to 4mm and wherein a weight ratio of nickel oxide to copper oxide is in the range of 20: 1 to 4: 1 ; b) compressing the anode layer in green; c) sinterizar la capa anódica verde para formar un compuesto que incluya óxidos de níquel, cobre y una ceria dopada con tierras raras;c) sintering the green anode layer to form a compound that includes nickel oxides, copper and a rare earth doped ceria; d) proporcionar un electrolito; yd) providing an electrolyte; and e) proporcionar un cátodo.e) providing a cathode. 2. Un proceso según la reivindicación 1, en donde la compresión de la capa anódica en verde se produce a presiones en el intervalo de 100 MPa a 300 MPa.2. A process according to claim 1, wherein the compression of the green anode layer occurs at pressures in the range of 100 MPa to 300 MPa. 3. Un procedimiento según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde la sinterización de la capa anódica en verde se produce a una temperatura comprendida en el intervalo de 950 °C a 1.100 °C.3. A process according to claim 1 or claim 2, wherein the sintering of the green anode layer occurs at a temperature in the range of 950 ° C to 1,100 ° C. 4. Un proceso según cualquier reivindicación anterior, en donde el óxido de níquel, el óxido de cobre y la ceria dopada con tierras raras se aplican como una tinta.4. A process according to any preceding claim, wherein nickel oxide, copper oxide and rare earth doped ceria are applied as an ink. 5. Un procedimiento según la reivindicación 4, en donde la tinta comprende entre el 5 y el 50 % en peso del óxido metálico total de óxido de cobre.5. A process according to claim 4, wherein the ink comprises between 5 and 50% by weight of the total metal oxide of copper oxide. 6. Un proceso según la reivindicación 4 o 5, en donde la aplicación de la capa anódica en verde incluye una aplicación inicial de la tinta al sustrato metálico, y el secado de la tinta para proporcionar una capa impresa de un grosor en el intervalo de 5 mm a 40 mm.A process according to claim 4 or 5, wherein the application of the green anodic layer includes an initial application of the ink to the metallic substrate, and drying of the ink to provide a printed layer of a thickness in the range of 5mm to 40mm. 7. Un procedimiento según cualquier reivindicación anterior, que comprende además calentar la capa impresa para eliminar la tinta base dejando una capa anódica en verde que comprende óxido de níquel, óxido de cobre y un ceria dopada con tierras raras.A method according to any preceding claim, further comprising heating the printed layer to remove the base ink leaving a green anodic layer comprising nickel oxide, copper oxide and a rare earth doped ceria. 8. Un proceso según cualquier reivindicación anterior, en donde la etapa de proporcionar un electrolito se produce antes de la etapa de sinterizar la capa anódica en verde, de modo que el electrolito y la capa anódica verde se sinterizan simultáneamente.A process according to any preceding claim, wherein the step of providing an electrolyte occurs prior to the step of sintering the green anode layer, so that the electrolyte and the green anode layer are sintered simultaneously. 9. Una celda de combustible de óxido sólido con soporte metálico obtenida por el procedimiento según cualquier reivindicación anterior.9. A metal supported solid oxide fuel cell obtained by the process according to any preceding claim. 10. Una celda de combustible según la reivindicación 9, en donde el níquel está en una forma seleccionada de entre el níquel metálico, el óxido de níquel, una aleación de níquel-cobre, un óxido de níquel-cobre y combinaciones de los mismos.10. A fuel cell according to claim 9, wherein the nickel is in a form selected from metallic nickel, nickel oxide, a nickel-copper alloy, a nickel-copper oxide, and combinations thereof. 11. Una celda de combustible según la reivindicación 9 o la reivindicación 10, en donde el cobre está en una forma seleccionada del cobre metálico, el óxido de cobre (II), el óxido de cobre (I), una aleación de níquel-cobre, un óxido de níquel-cobre y combinaciones de los mismos.A fuel cell according to claim 9 or claim 10, wherein the copper is in a form selected from metallic copper, copper (II) oxide, copper (I) oxide, a nickel-copper alloy , a nickel-copper oxide, and combinations thereof. 12. Una celda de combustible según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, que comprende12. A fuel cell according to any of claims 9 to 11, comprising (i) un soporte de acero inoxidable ferrítico que incluye una región porosa y una región no porosa que limita la región porosa;(i) a ferritic stainless steel support that includes a porous region and a non-porous region that limits the porous region; (ii) una placa bipolar de acero inoxidable ferrítico situada bajo una superficie de la región porosa del soporte y unida de forma estanca a la región no porosa del soporte alrededor de la región porosa del mismo;(ii) a ferritic stainless steel bipolar plate positioned under a surface of the porous region of the support and tightly bonded to the non-porous region of the support around the porous region of the support; (iii) un ánodo que comprende una capa anódica situada sobre la otra superficie de la región porosa del soporte; (iv) un electrolito que comprende una capa electrolítica situada sobre la capa anódica; y(iii) an anode comprising an anode layer located on the other surface of the porous region of the support; (iv) an electrolyte comprising an electrolytic layer located on top of the anode layer; and (v) un cátodo que comprende una capa catódica situada sobre la capa de electrolito; en donde el ánodo incluye níquel, cobre y una ceria dopada con tierras raras. (v) a cathode comprising a cathode layer positioned on top of the electrolyte layer; wherein the anode includes nickel, copper and a rare earth doped ceria. 13. Una celda de combustible según una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12, en donde la ceria dopada con tierras raras comprende óxido de cerio dopado con gadolinio.A fuel cell according to any one of claims 9 to 12, wherein the rare earth doped ceria comprises gadolinium doped cerium oxide. 14. Una pila de celdas de combustible que comprende dos o más celdas de combustible según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13; o el uso de una celda de combustible según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13, en la generación de energía eléctrica. 14. A fuel cell stack comprising two or more fuel cells according to any one of claims 9 to 13; or the use of a fuel cell according to any one of claims 9 to 13, in the generation of electrical energy.
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